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DE102023105007A1 - Electrochemical cell and process for producing hydrogen and oxygen from water - Google Patents

Electrochemical cell and process for producing hydrogen and oxygen from water Download PDF

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DE102023105007A1
DE102023105007A1 DE102023105007.9A DE102023105007A DE102023105007A1 DE 102023105007 A1 DE102023105007 A1 DE 102023105007A1 DE 102023105007 A DE102023105007 A DE 102023105007A DE 102023105007 A1 DE102023105007 A1 DE 102023105007A1
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DE
Germany
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protective layer
electrochemical cell
planar
range
flat
Prior art date
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DE102023105007.9A
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German (de)
Inventor
Karl Skadell
Artur Bekisch
Bernd Gronde
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Priority to PCT/EP2024/052069 priority patent/WO2024179759A1/en
Priority to EP24702735.2A priority patent/EP4673585A1/en
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Abstract

Es wird eine elektrochemische Zelle bereitgestellt und ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser vorgestellt. Mit der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle ist es möglich, eine elektrochemische Reaktion bei Temperaturen von 120 °C - 200° C und Drücken von bis zu 30 bar auch unter harschen chemischen Bedingungen (z.B. KOH-Massenanteilen bis 35 % im Elektrolyten) über lange Zeiträume durchzuführen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser bei Temperaturen von 120 °C - 200° C und Drücken von bis zu 30 bar auch unter harschen chemischen Bedingungen (z.B. KOH-Massenanteilen bis 35 % im Elektrolyten) herzustellen.

Figure DE102023105007A1_0000
An electrochemical cell is provided and a method for producing hydrogen and oxygen from water is presented. With the electrochemical cell according to the invention it is possible to carry out an electrochemical reaction at temperatures of 120 °C - 200 °C and pressures of up to 30 bar even under harsh chemical conditions (e.g. KOH mass fractions of up to 35% in the electrolyte) over long periods of time. With the method according to the invention it is possible to produce hydrogen and oxygen from water at temperatures of 120 °C - 200 °C and pressures of up to 30 bar even under harsh chemical conditions (e.g. KOH mass fractions of up to 35% in the electrolyte).
Figure DE102023105007A1_0000

Description

Es wird eine elektrochemische Zelle bereitgestellt und ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser vorgestellt. Mit der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle ist es möglich, eine elektrochemische Reaktion bei Temperaturen von 120 °C - 200° C und Drücken von bis zu 30 bar auch unter harschen chemischen Bedingungen (z.B. KOH-Massenanteilen bis 35 % im Elektrolyten) über lange Zeiträume durchzuführen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser bei Temperaturen von 120 °C - 200° C und Drücken von bis zu 30 bar auch unter harschen chemischen Bedingungen (z.B. KOH-Massenanteilen bis 35 % im Elektrolyten) herzustellen.An electrochemical cell is provided and a method for producing hydrogen and oxygen from water is presented. With the electrochemical cell according to the invention, it is possible to carry out an electrochemical reaction at temperatures of 120 °C - 200 °C and pressures of up to 30 bar, even under harsh chemical conditions (e.g. KOH mass fractions of up to 35% in the electrolyte) over long periods of time. With the method according to the invention, it is possible to produce hydrogen and oxygen from water at temperatures of 120 °C - 200 °C and pressures of up to 30 bar, even under harsh chemical conditions (e.g. KOH mass fractions of up to 35% in the electrolyte).

Eine elektrochemische Zelle für eine alkalische Wasserelektrolyse (AWE) weist eine Kathode und eine Anode auf, welche durch einen porösen Separator (bzw. eine poröse Membran) getrennt sind. Die Reaktion läuft unter Einsatz von elektrischer Energie bilanziell wie folgt ab: H2O → H2 + ½ O2 An electrochemical cell for alkaline water electrolysis (AWE) has a cathode and an anode, which are separated by a porous separator (or a porous membrane). The reaction takes place using electrical energy as follows: H 2 O → H 2 + ½ O 2

Der wässrige, alkalische flüssige Elektrolyt der elektrochemischen Zelle (z.B. eine wässrige KOH-Lösung) enthält zum einen den Reaktanden (H2O) und stellt zum anderen das ionenleitende Medium für OH-Ionen dar. Der Elektrolyt benetzt dabei immer die Kathode und Anode und infiltriert den Separator. Der Separator schafft eine elektronische Isolation sowohl gegen den rein physischen Kontakt von Anode und Kathode (um einen Kurzschluss zu verhindern) als auch gegen Elektronenleitung über den flüssigen Elektrolyten (um Leckströme zu verhindern). Zudem wird durch den Separator der Austausch von den Produktgasen (H2 an der Kathode, O2 an der Anode) verhindert, sodass in den jeweiligen Kompartimenten der elektrochemischen Zelle keine explosionsfähigen Gemische entstehen (z.B. H2 in O2). Gleichzeitig ermöglicht die Porosität des Separators eine OH--Ionenleitung durch die Infiltration des wässrigen, alkalischen Elektrolyten.The aqueous, alkaline liquid electrolyte of the electrochemical cell (e.g. an aqueous KOH solution) contains the reactant (H 2 O) and also represents the ion-conducting medium for OH - ions. The electrolyte always wets the cathode and anode and infiltrates the separator. The separator creates electronic insulation both against purely physical contact between anode and cathode (to prevent a short circuit) and against electron conduction via the liquid electrolyte (to prevent leakage currents). In addition, the separator prevents the exchange of product gases (H 2 at the cathode, O 2 at the anode), so that no explosive mixtures are formed in the respective compartments of the electrochemical cell (e.g. H 2 in O 2 ). At the same time, the porosity of the separator enables OH - ion conduction through the infiltration of the aqueous, alkaline electrolyte.

Die Betriebstemperatur einer elektrochemischen Zelle zur alkalischen Wasserelektrolyse liegt derzeit typischerweise bei 60 °C bis 90 °C und ist durch die Temperaturbeständigkeit des Separators begrenzt. Eine Möglichkeit, die Leistung einer alkalischen Wasserelektrolyse zu steigern, stellt die Erhöhung der Temperatur (und ggf. des Drucks) bei gleichen KOH-Konzentrationen des wässrigen Elektrolyten (Massenanteil z.B. 30 % bis 35 %) dar. In der sogenannten Mitteltemperaturelektrolyse werden Temperaturen von 120 °C - 200° C bei Drücken bis 30 bar und KOH-Massenanteilen bis 35 % im Elektrolyten angestrebt.The operating temperature of an electrochemical cell for alkaline water electrolysis is currently typically between 60 °C and 90 °C and is limited by the temperature resistance of the separator. One way to increase the performance of alkaline water electrolysis is to increase the temperature (and possibly the pressure) at the same KOH concentrations of the aqueous electrolyte (mass fraction e.g. 30% to 35%). In so-called medium-temperature electrolysis, temperatures of 120 °C - 200°C at pressures of up to 30 bar and KOH mass fractions of up to 35% in the electrolyte are aimed for.

Kim, S. et al. (Journal of Power Sources, 524:231059 ) offenbaren eine elektrochemische Zelle zur Durchführung einer alkalischen Wasserelektrolyse, die einen Separator enthält, der eine hohe ionische Leitfähigkeit und niedrige Wasserstoffpermeabilität aufweist. Der Separator besteht aus einem Zirfon PERL Substrat, auf welches eine Schicht aus Polyvinylalkohol (PVA) aufgebracht ist, das mit Glutaraldehyd vernetzt ist. Das Zirfon PERL Substrat besteht aus Zirkonium-Nanopartikeln, die mittels eines Polysulfon-Binders (PSU-Binder) auf ein flächiges Polyphenylensulfid-Substrat (PPS-Substrat) aufgebracht wurden. Durch die zusätzliche Aufbringung des über Gluraraldehyd vernetzten PVA konnte die Wasserstoffpermeabilität des bekannten Zirfon PERL Substrats deutlich reduziert werden und damit die Betriebssicherheit der elektrochemischen Zelle mit diesem Separator gesteigert werden. Der vorgestellte Separator hat jedoch den Nachteil, dass er sich aufgrund seiner organischen Komponenten (PSU, PPS und vernetztes PVA) nicht für die angestrebte Mitteltemperaturelektrolyse bei Temperaturen von 120 °C - 200° C, Drücken von bis zu 30 bar und KOH-Massenanteilen bis 35 % im Elektrolyten eignet, da der Separator unter diesen Bedingungen zerstört wird. Kim, S. et al. (Journal of Power Sources, 524:231059 ) disclose an electrochemical cell for carrying out alkaline water electrolysis, which contains a separator that has a high ionic conductivity and low hydrogen permeability. The separator consists of a Zirfon PERL substrate onto which a layer of polyvinyl alcohol (PVA) is applied, which is coated with glutaraldehyde The Zirfon PERL substrate consists of zirconium nanoparticles that were applied to a flat polyphenylene sulfide substrate (PPS substrate) using a polysulfone binder (PSU binder). The additional application of PVA crosslinked with gluraraldehyde made it possible to increase the hydrogen permeability of the well-known Zirfon PERL substrate can be significantly reduced and thus the operational reliability of the electrochemical cell with this separator can be increased. However, the separator presented has the disadvantage that due to its organic components (PSU, PPS and cross-linked PVA) it is not suitable for the desired medium-temperature electrolysis at temperatures of 120 °C - 200 °C, pressures of up to 30 bar and KOH mass fractions of up to 35% in the electrolyte, as the separator is destroyed under these conditions.

Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrochemische Zelle (insbesondere eine elektrochemische Zelle für die alkalische Wasserelektrolyse) bereitzustellen, welche die Nachteile aus dem Stand der Technik nicht aufweist. Insbesondere sollte es mit der elektrochemischen Zelle möglich sein, eine elektrochemische Reaktion bei Temperaturen von 120 °C - 200° C und Drücken von bis zu 30 bar auch unter harschen chemischen Bedingungen (z.B. KOH-Massenanteilen bis 35 % im Elektrolyten) über lange Zeiträume durchzuführen. Ferner sollte ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser vorgestellt werden, das unter diesen Bedingungen durchführbar ist.Based on this, the object of the present invention was to provide an electrochemical cell (in particular an electrochemical cell for alkaline water electrolysis) which does not have the disadvantages of the prior art. In particular, the electrochemical cell should make it possible to carry out an electrochemical reaction at temperatures of 120 °C - 200 °C and pressures of up to 30 bar even under harsh chemical conditions (e.g. KOH mass fractions of up to 35% in the electrolyte) over long periods of time. Furthermore, a process for producing hydrogen and oxygen from water should be presented which can be carried out under these conditions.

Die Aufgabe wird gelöst durch die elektrochemische Zelle mit den Merkmalen von Anspruch 1 und das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 16. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.The object is achieved by the electrochemical cell having the features of claim 1 and the method having the features of claim 16. The dependent claims show advantageous further developments.

Erfindungsgemäß wird eine elektrochemische Zelle bereitgestellt, enthaltend:

  1. a) einen Behälter, der einen flüssigen Elektrolyten enthält;
  2. b) eine Membran-Anordnung, enthaltend eine flächige Anodenschicht, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist; eine flächige Schutzschicht, die eine Oberseite, eine Unterseite und sich von der Oberseite zur Unterseite erstreckende Poren einer ersten Poren- größe aufweist, wobei die flächige Schutzschicht ein elektrisch isolierendes keramisches Material enthält oder daraus besteht; und eine flächige Kathodenschicht, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist;

wobei die Membran-Anordnung den flüssigen Elektrolyten kontaktiert, wobei die Membran-Anordnung dergestalt in dem Behälter angeordnet ist, dass er den flüssigen Elektrolyten in ein erstes Kompartiment und in ein zweites Kompartiment trennt,
wobei die Membran-Anordnung das erste Kompartiment von dem zweiten Kompartiment auf elektrisch isolierende und Ionen-leitende Weise trennt; wobei die flächige Schutzschicht auf der Unterseite der flächigen Anodenschicht angeordnet ist und die Oberseite der flächigen Schutzschicht die Unterseite der flächigen Anodenschicht kontaktiert;
wobei auf der Unterseite der flächigen Schutzschicht
  • i) die Kathodenschicht angeordnet ist und die Oberseite der Kathodenschicht die Unterseite der flächigen Schutzschicht kontaktiert; oder
  • ii) ein flächiges Substrat angeordnet ist, das eine Oberseite, eine Unterseite und sich von der Oberseite zur Unterseite erstreckende Poren einer zweiten Porengröße aufweist, die größer ist als die erste Porengröße, wobei die Oberseite des flächigen Substrats die Unterseite der flächigen Schutzschicht kontaktiert und auf der Unterseite des flächigen Substrats die Kathodenschicht angeordnet ist.
According to the invention, an electrochemical cell is provided comprising:
  1. (a) a container containing a liquid electrolyte;
  2. b) a membrane assembly comprising a flat anode layer having a top side and a bottom side; a planar protective layer having a top side, a bottom side and pores of a first pore size extending from the top side to the bottom side, the planar protective layer containing or consisting of an electrically insulating ceramic material; and a planar cathode layer having a top side and a bottom side;

wherein the membrane assembly contacts the liquid electrolyte, wherein the membrane assembly is arranged in the container such that it separates the liquid electrolyte into a first compartment and a second compartment,
wherein the membrane arrangement separates the first compartment from the second compartment in an electrically insulating and ion-conducting manner; wherein the planar protective layer is arranged on the underside of the planar anode layer and the upper side of the planar protective layer contacts the underside of the planar anode layer;
where on the underside of the flat protective layer
  • i) the cathode layer is arranged and the upper side of the cathode layer contacts the lower side of the flat protective layer; or
  • ii) a planar substrate is arranged which has a top side, a bottom side and pores extending from the top side to the bottom side of a second pore size which is larger than the first pore size, wherein the top side of the planar substrate contacts the bottom side of the planar protective layer and the cathode layer is arranged on the bottom side of the planar substrate.

Mit dem Begriff „angeordnet“ wird insbesondere nicht zwangsweise ein „kontaktieren“ verstanden. Falls eine Schicht auf einer anderen Schicht angeordnet ist, bedeutet dies, dass zwischen den beiden Schichten mindestens eine weitere Schicht angeordnet sein kann.In particular, the term "arranged" does not necessarily mean "contacting". If a layer is arranged on top of another layer, this means that at least one further layer can be arranged between the two layers.

Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle ermöglicht es, eine elektrochemische Reaktion bei Temperaturen von 120 °C - 200° C und Drücken von bis zu 30 bar auch unter harschen chemischen Bedingungen (z.B. KOH-Massenanteilen bis 35 % im Elektrolyten) über lange Zeiträume durchzuführen. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es möglich, elektrochemische Reaktionen (z.B. eine alkalische Wasserhydrolyse) mit einer höheren Effizienz und/oder einer höheren Leistungsdichte durchzuführen.The electrochemical cell according to the invention makes it possible to carry out an electrochemical reaction at temperatures of 120 °C - 200 °C and pressures of up to 30 bar, even under harsh chemical conditions (e.g. KOH mass fractions of up to 35% in the electrolyte) over long periods of time. Due to this property, it is possible to carry out electrochemical reactions (e.g. alkaline water hydrolysis) with greater efficiency and/or higher power density.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Membran-Anordnung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle Im Vergleich zu Polymer-basierten oder Keramik-basierten Membran-Anordnungen in größeren Dimensionen (z.B. Kantenlängen bis zu 2 m) herstellen lässt, was in größeren Aktivflächen resultieren kann (z.B. einer Aktivfläche von 4 m2). Dadurch ist es mit der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle möglich, die Effizienz und/oder Leistungsdichte der elektrochemischen Reaktion(en) weiter zu steigern.A further advantage is that the membrane arrangement of the electrochemical cell according to the invention can be produced in larger dimensions (eg edge lengths of up to 2 m) compared to polymer-based or ceramic-based membrane arrangements, which can result in larger active areas (eg an active area of 4 m 2 ). This makes it possible to further increase the efficiency and/or power density of the electrochemical reaction(s) with the electrochemical cell according to the invention.

Zudem ergibt sich der Vorteil, dass die Membran-Anordnung der elektrochemischen Zelle und damit die gesamte elektrochemische Zelle einfach und kostengünstig herstellen lässt.Another advantage is that the membrane arrangement of the electrochemical cell and thus the entire electrochemical cell can be manufactured easily and inexpensively.

Die flächige Schutzschicht der Membran-Anordnung kann auf der Unterseite der flächigen Anodenschicht, auf der Oberseite der flächigen Kathodenschicht und/oder auf der Oberseite des flächigen Substrats über ein Verfahren aufgebracht worden sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Atmosphärisches Plasmaspritzen, Schlicker-basiertes Beschichten mit anschließender Entbinderung, elektrophoretisches Beschichten, Gas-basiertes Beschichten, wobei das Schlicker-basierte Beschichten bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tauchbad-Beschichten, Schlitzdüsen-Beschichten, Lamination und Kombinationen hiervon.The planar protective layer of the membrane arrangement can have been applied to the underside of the planar anode layer, to the top side of the planar cathode layer and/or to the top side of the planar substrate by a method selected from the group consisting of atmospheric plasma spraying, slip-based coating with subsequent debinding, electrophoretic coating, gas-based coating, wherein the slip-based coating is preferably selected from the group consisting of immersion bath coating, slot die coating, lamination and combinations thereof.

Ferner kann die flächige Schutzschicht der Membran-Anordnung eine Dicke im Bereich von 10 bis 1000 µm aufweisen, wobei sich die Dicke insbesondere auf eine Ausdehnung der Schutzschicht in eine Richtung senkrecht auf die Oberseite und/oder Unterseite der flächigen Schutzschicht bezieht.Furthermore, the planar protective layer of the membrane arrangement can have a thickness in the range of 10 to 1000 µm, wherein the thickness refers in particular to an extension of the protective layer in a direction perpendicular to the top and/or bottom of the planar protective layer.

Auf der Unterseite des (in der 2. Alternative genannten) flächigen Substrats der Membran-Anordnung kann eine weitere flächige Schutzschicht angeordnet ist, die eine Oberseite, eine Unterseite und sich von der Oberseite zur Unterseite erstreckende Poren einer ersten Porengröße aufweist, wobei die weitere flächige Schutzschicht ein elektrisch isolierendes keramisches Material enthält oder daraus besteht, wobei bevorzugt die Unterseite des flächigen Substrats die Oberseite der Schutzschicht kontaktiert und die Unterseite der Schutzschicht die Oberseite der flächigen Kathodenschicht kontaktiert.On the underside of the planar substrate of the membrane arrangement (mentioned in the 2nd alternative), a further planar protective layer can be arranged, which has a top side, a bottom side and pores of a first pore size extending from the top side to the bottom side, wherein the further planar protective layer contains or consists of an electrically insulating ceramic material, wherein preferably the underside of the planar substrate contacts the top side of the protective layer and the underside of the protective layer contacts the top side of the planar cathode layer.

Die weitere flächige Schutzschicht kann auf der Unterseite des flächigen Substrats über ein Verfahren aufgebracht worden sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Atmosphärisches Plasmaspritzen, Schlicker-basiertes Beschichten mit anschließender Entbinderung, elektrophoretisches Beschichten, Gas-basiertes Beschichten, wobei das Schlicker-basierte Beschichten bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tauchbad-Beschichten, Schlitzdüsen-Beschichten, Lamination und Kombinationen hiervon; und/oderThe further flat protective layer can have been applied to the underside of the flat substrate using a method selected from the group consisting of atmospheric plasma spraying, slip-based coating with subsequent debinding, electrophoretic coating, gas-based coating, wherein the slip-based coating is preferably selected from the group consisting of immersion bath coating, slot die coating, lamination and combinations thereof; and/or

Ferner kann die weitere flächige Schutzschicht eine Dicke im Bereich von 10 bis 1000 µm aufweisen, wobei sich die Dicke insbesondere auf eine Ausdehnung der flächigen Schutzschicht in eine Richtung senkrecht auf die Oberseite und/oder Unterseite der flächigen Schutzschicht bezieht.Furthermore, the further planar protective layer can have a thickness in the range of 10 to 1000 µm, wherein the thickness refers in particular to an extension of the planar protective layer in a direction perpendicular to the top and/or bottom of the planar protective layer.

Die Membran-Anordnung kann über ein Verfahren assembliert worden sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pressen, Fügen und Kombinationen hiervon, wobei das Pressen bevorzugt ein Pressen mit einem Druck im Bereich von 50 bis 3500 MPa, bevorzugt im Bereich von 100 bis 3000 MPa, besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 2500 MPa, in einer Richtung senkrecht auf die Membran-Anordnung, umfasst.The membrane arrangement may have been assembled by a method selected from the group consisting of pressing, joining and combinations thereof, wherein the pressing preferably comprises pressing with a pressure in the range of 50 to 3500 MPa, preferably in the range of 100 to 3000 MPa, particularly preferably in the range of 150 to 2500 MPa, in a direction perpendicular to the membrane arrangement.

Die Kathodenschicht der Membran-Anordnung kann einen Katalysator enthalten oder daraus bestehen, der eine Reduktion von Wasser zu Wasserstoff katalysiert, wobei der Katalysator bevorzugt ein Material enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metall, Metalllegierung und Kombinationen hiervon, wobei das Material optional ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Cobalt, Molybdän, Mangan, Nickel-Aluminium, Nickel-Aluminium-Molybdän; Nickel-Molybdän, Raney-Nickel, und Kombinationen hiervon.The cathode layer of the membrane assembly may contain or consist of a catalyst that catalyzes a reduction of water to hydrogen, wherein the catalyst preferably contains a material selected from the group consisting of metal, metal alloy, and combinations thereof, wherein the material is optionally selected from the group consisting of nickel, cobalt, molybdenum, manganese, nickel-aluminum, nickel-aluminum-molybdenum; nickel-molybdenum, Raney nickel, and combinations thereof.

Die Anodenschicht der Membran-Anordnung kann einen Katalysator enthalten oder daraus bestehen, der eine Oxidation von Wasser zu Sauerstoff katalysiert, wobei der Katalysator bevorzugt ein Material enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metall, Metalllegierung, Metalloxid, Mischmetalloxid, Spinell, Perowskit, Schicht-Doppelhydroxid und Kombinationen hiervon, wobei das Material optional ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Cobalt, Nickel-Aluminium, Nickel-Aluminium-Molybdän, Nickel-Molybdän, Raney-Nickel, Nickeloxid, Iridiumoxid und Kombinationen hiervon.The anode layer of the membrane assembly may contain or consist of a catalyst that catalyzes an oxidation of water to oxygen, wherein the catalyst preferably contains a material selected from the group consisting of metal, metal alloy, metal oxide, mixed metal oxide, spinel, perovskite, layered double hydroxide and combinations thereof, wherein the material is optionally selected from the group consisting of nickel, cobalt, nickel-aluminum, nickel-aluminum-molybdenum, nickel-molybdenum, Raney nickel, nickel oxide, iridium oxide and combinations thereof.

Das flächige Substrat kann ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metall, Metalllegierung und Kombinationen hiervon, wobei das Material bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Nickelstahl, Vollnickel und Kombinationen und Legierungen hiervon.The planar substrate may contain or consist of a material selected from the group consisting of metal, metal alloy and combinations thereof, wherein the material is preferably selected from the group consisting of stainless steel, nickel steel, solid nickel and combinations and alloys thereof.

Ferner kann das flächige Substrat eine Struktur enthalten oder daraus bestehen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Vlies, fester Schaum, Streckmetall, Netz, Gewebe und Kombinationen hiervon.Furthermore, the sheet-like substrate may contain or consist of a structure selected from the group consisting of nonwoven, solid foam, expanded metal, mesh, fabric and combinations thereof.

Darüber hinaus kann das flächige Substrat eine Dicke im Bereich von 40 bis 1500 µm, bevorzugt im Bereich von 50 bis 1250 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 60 µm bis 1000 µm, aufweisen, wobei sich die Dicke insbesondere auf eine Ausdehnung des flächigen Substrats in eine Richtung senkrecht auf die Oberseite und/oder Unterseite des flächigen Substrats bezieht.In addition, the planar substrate can have a thickness in the range of 40 to 1500 µm, preferably in the range of 50 to 1250 µm, particularly preferably in the range of 60 µm to 1000 µm, wherein the thickness refers in particular to an extension of the planar substrate in a direction perpendicular to the top and/or bottom of the planar substrate.

Die Poren des flächigen Substrats können eine zweite Porengröße im Bereich von 5 µm bis 1250 µm, bevorzugt im Bereich von 10 µm bis 1000 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 15 µm bis 750 µm, aufweisen, wobei sich die Porengröße auf eine über Quecksilber Porosimetrie und/oder Bubble-Point Messung bestimmbare Porengröße bezieht; und/oderThe pores of the flat substrate can have a second pore size in the range from 5 µm to 1250 µm, preferably in the range from 10 µm to 1000 µm, particularly preferably in the range from 15 µm to 750 µm, wherein the pore size refers to a pore size that can be determined via mercury porosimetry and/or bubble point measurement; and/or

Ferner können die Poren des flächigen Substrats eine zweite Porengröße aufweisen, die von der Oberseite des flächigen Substrats in Richtung der Unterseite des flächigen Substrats abnimmt oder die von der Unterseite des flächigen Substrats in Richtung der Oberseite des flächigen Substrats abnimmt.Furthermore, the pores of the planar substrate may have a second pore size that decreases from the top of the planar substrate toward the bottom of the planar substrate or that decreases from the bottom of the planar substrate toward the top of the planar substrate.

Das elektrisch isolierende keramische Material der flächigen Schutzschicht, optional auch das elektrisch isolierende keramische Material einer weiteren flächigen Schutzschicht der Membran-Anordnung, kann ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nitridkeramik, Carbidkeramik, Oxidkeramik, Silikatkeramik, Cermet und Kombinationen hiervon.The electrically insulating ceramic material of the planar protective layer, optionally also the electrically insulating ceramic material of another planar protective layer of the membrane arrangement, can contain or consist of a material selected from the group consisting of nitride ceramic, carbide ceramic, oxide ceramic, silicate ceramic, cermet and combinations thereof.

Ferner kann das elektrisch isolierende keramische Material der flächigen Schutzschicht, optional auch das elektrisch isolierende keramische Material einer weiteren flächigen Schutzschicht der Membran-Anordnung Partikel enthalten oder daraus bestehen, wobei die Partikel bevorzugt eine Größe im Bereich von 0,5 µm bis 95 µm, bevorzugt im Bereich von 5 µm bis 70 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 9 µm bis 45 µm, aufweisen, wobei sich die Partikelgröße auf eine Messung der Partikelgrößenverteilung bezieht.Furthermore, the electrically insulating ceramic material of the planar protective layer, optionally also the electrically insulating ceramic material of a further planar protective layer of the membrane arrangement, can contain or consist of particles, wherein the particles preferably have a size in the range from 0.5 µm to 95 µm, preferably in the range from 5 µm to 70 µm, particularly preferably in the range from 9 µm to 45 µm, wherein the particle size refers to a measurement of the particle size distribution.

Die die Poren der flächigen Schutzschicht, optional auch die Poren einer weiteren flächigen Schutzschicht der Membran-Anordnung, können eine erste Porengröße im Bereich von 50 nm bis 9 µm aufweisen, wobei sich die Porengröße auf eine über Quecksilber Porosimetrie und/oder Bubble-Point Messung bestimmbare Porengröße bezieht.The pores of the flat protective layer, optionally also the pores of another flat protective layer of the membrane arrangement, can have a first pore size in the range of 50 nm to 9 µm, wherein the pore size refers to a pore size that can be determined via mercury porosimetry and/or bubble point measurement.

Die flächige Schutzschicht, optional auch eine weitere flächige Schutzschicht der Membran-Anordnung, kann einen elektrischen Widerstand im kΩ bis MΩ Bereich aufweisen.The flat protective layer, optionally also another flat protective layer of the membrane arrangement, can have an electrical resistance in the kΩ to MΩ range.

Ferner kann die flächige Schutzschicht, optional auch eine weitere flächige Schutzschicht der Membran-Anordnung eine lonenwiderstand im Bereich von <0,3 Ω bis 0,8 cm2 aufweisen.Furthermore, the flat protective layer, optionally also a further flat protective layer the membrane arrangement has an ion resistance in the range of <0.3 Ω to 0.8 cm 2 .

Darüber hinaus kann die flächige Schutzschicht, optional auch eine weitere flächige Schutzschicht der Membran-Anordnung, ein Gas Permeabilität im Bereich von 2 bis 6 L/min·cm2 bei 5 bar aufweisen.In addition, the flat protective layer, optionally also another flat protective layer of the membrane arrangement, can have a gas permeability in the range of 2 to 6 L/min·cm 2 at 5 bar.

Abgesehen davon kann die flächige Schutzschicht, optional auch eine weitere flächige Schutzschicht der Membran-Anordnung für Ionen leitfähig sein, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetallionen, OH--Ionen, H+-Ionen und Kombinationen hiervon.Apart from that, the planar protective layer, optionally also another planar protective layer of the membrane arrangement, can be conductive for ions selected from the group consisting of alkali metal ions, OH - ions, H + ions and combinations thereof.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform enthält die Membran-Anordnung der elektrochemischen Zelle eine erste elektrisch leitfähige Ableiterschicht, welche die Anodenschicht kontaktiert und eine zweite elektrisch leitfähige Ableiterschicht, welche die Kathodenschicht kontaktiert. Die erste elektrisch leitfähige Ableiterschicht ist bevorzugt auf der Oberseite der Anodenschicht angeordnet und/oder die zweite elektrisch leitfähige Ableiterschicht ist bevorzugt auf der Unterseite der Kathodenschicht angeordnet.In a preferred embodiment, the membrane arrangement of the electrochemical cell contains a first electrically conductive conductor layer which contacts the anode layer and a second electrically conductive conductor layer which contacts the cathode layer. The first electrically conductive conductor layer is preferably arranged on the top side of the anode layer and/or the second electrically conductive conductor layer is preferably arranged on the bottom side of the cathode layer.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform enthält die Membran-Anordnung kein organisches Polymer, optional kein organisches Material.In a further preferred embodiment, the membrane arrangement contains no organic polymer, optionally no organic material.

Die Membran-Anordnung kann gegenüber einer wässrigen Lösung von 35 Gew.-% KOH, in Bezug auf das Gesamtgewicht der wässrigen Lösung, stabil sein, bevorzugt nicht beschädigt werden, insbesondere sich nicht auflösen.The membrane arrangement can be stable, preferably not damaged, in particular not dissolved, towards an aqueous solution of 35 wt.% KOH, based on the total weight of the aqueous solution.

Ferner kann die Membran-Anordnung gegenüber einem Druck von 30 bar auf eine Oberseite oder Unterseite der Membran stabil sein, bevorzugt durch diesen Druck nicht beschädigt werden, insbesondere keine Risse bekommen.Furthermore, the membrane arrangement can be stable against a pressure of 30 bar on an upper or lower side of the membrane, preferably not be damaged by this pressure, in particular not develop cracks.

Darüber hinaus kann die Membran-Anordnung gegenüber einer Temperatur von 200 °C stabil sein, bevorzugt nicht beschädigt werden, insbesondere nicht schmelzen und/oder verbrennen.In addition, the membrane arrangement can be stable at a temperature of 200 °C, preferably not be damaged, in particular not melt and/or burn.

Die elektrochemische Zelle kann ferner einen Einlass zur Zuführung von flüssigem Elektrolyt in das erste Kompartiment und einen Auslass zur Abführung eines ersten Fluids aus dem ersten Kompartiment enthalten.The electrochemical cell may further include an inlet for supplying liquid electrolyte into the first compartment and an outlet for removing a first fluid from the first compartment.

Darüber hinaus kann die elektrochemische Zelle ferner einen Einlass zur Zuführung von flüssigem Elektrolyt in das zweite Kompartiment und einen Auslass zur Abführung eines zweiten Fluids aus dem zweiten Kompartiment enthalten.Furthermore, the electrochemical cell may further include an inlet for supplying liquid electrolyte into the second compartment and an outlet for removing a second fluid from the second compartment.

Die elektrochemische Zelle kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Elektrolysezelle, Batteriezelle, Brennstoffzelle und CO2-Reduktionszelle, wobei die elektrochemische Zelle besonders bevorzugt eine Wasserelektrolysezelle ist, ganz besonders bevorzugt eine alkalische Wasserelektrolysezelle ist.The electrochemical cell can be selected from the group consisting of electrolysis cell, battery cell, fuel cell and CO 2 reduction cell, wherein the electrochemical cell is particularly preferably a water electrolysis cell, most preferably an alkaline water electrolysis cell.

Erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser vorgestellt, umfassend die folgenden Schritte

  1. a) Bereitstellung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, wobei der flüssige Elektrolyt eine wässrige Lösung enthaltend 35 bis 40 Gew.-% KOH, in Bezug auf das Gesamtgewicht der wässrigen Lösung, ist; und
  2. b) Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Kathode und Anode der elektrochemischen Zelle und Durchführen einer Elektrolyse.
According to the invention, a process for producing hydrogen and oxygen from water is also presented, comprising the following steps
  1. a) providing an electrochemical cell according to the invention, wherein the liquid electrolyte is an aqueous solution containing 35 to 40 wt.% KOH, based on the total weight of the aqueous solution; and
  2. b) Applying an electrical voltage between the cathode and anode of the electrochemical cell and carrying out electrolysis.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser bei Temperaturen von 120 °C - 200° C und Drücken von bis zu 30 bar auch unter harschen chemischen Bedingungen (z.B. KOH-Massenanteilen bis 35 % im Elektrolyten) herzustellen.With the process according to the invention it is possible to produce hydrogen and oxygen from water at temperatures of 120 °C - 200 °C and pressures of up to 30 bar even under harsh chemical conditions (e.g. KOH mass fractions of up to 35% in the electrolyte).

In dem Verfahren wird die Elektrolyse bevorzugt bei einem Druck im Bereich von 1 bis 30 bar und/oder einer Temperatur im Bereich von 120 °C bis 200 °C durchgeführt.In the process, the electrolysis is preferably carried out at a pressure in the range of 1 to 30 bar and/or a temperature in the range of 120 °C to 200 °C.

Anhand der nachfolgenden Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher beschrieben werden, ohne diesen auf die hier dargestellten, spezifischen Ausgestaltungsformen einschränken zu wollen.

  • 1 zeigt schematisch eine erste Membran-Anordnung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle. Auf der Unterseite einer flächigen Anodenschicht 1 ist eine flächige Schutzschicht 2 angeordnet, die Poren 3 einer ersten Porengröße aufweist. Auf der Unterseite der flächigen Schutzschicht 2 ist eine flächige Kathodenschicht 4 angeordnet. Auf der Oberseite der flächigen Anodenschicht 1 ist eine erste elektrisch leitfähige Ableiterschicht 8 angeordnet und auf der Unterseite der flächigen Kathodenschicht 4 ist eine zweite elektrisch leitfähige Ableiterschicht 9 angeordnet.
  • 2 zeigt schematisch eine zweite Membran-Anordnung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle. Auf der Unterseite einer flächigen Anodenschicht 1 ist eine flächige Schutzschicht 2 angeordnet, die Poren 3 einer ersten Porengröße aufweist. Auf der Unterseite der flächigen Schutzschicht 2 ist ein flächiges Substrat 5 angeordnet, das Poren 6 einer zweiten Porengröße aufweist. Auf der Unterseite des flächigen Substrats 5 ist eine weitere flächige Schutzschicht 7 angeordnet, die Poren einer ersten Porengröße 3 aufweist. Auf der Unterseite der weiteren flächigen Schutzschicht 7 ist eine flächige Kathodenschicht 4 angeordnet. Die hier dargestellte Membran-Anordnung weist (noch) keinen elektrisch leitfähigen Ableiter (z.B. keine Ableiterschichten) auf.
  • 3 zeigt schematisch eine dritte Membran-Anordnung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle. Auf der Unterseite einer flächigen Anodenschicht 1 ist eine flächige Schutzschicht 2 angeordnet, die Poren 3 einer ersten Porengröße aufweist. Auf der Unterseite der flächigen Schutzschicht 2 ist ein flächiges Substrat 5 angeordnet, das Poren 6 einer zweiten Porengröße aufweist. Auf der Unterseite des flächigen Substrats 5 ist eine weitere flächiges Schutzschicht 7 angeordnet, die Poren 3 einer ersten Porengröße aufweist. Auf der Unterseite der weiteren flächigen Schutzschicht 7 ist eine flächige Kathodenschicht 4 angeordnet. Auf der Oberseite der flächigen Anodenschicht 1 ist eine erste elektrisch leitfähige Ableiterschicht 8 angeordnet und auf der Unterseite der flächigen Kathodenschicht 4 ist eine zweite elektrisch leitfähige Ableiterschicht 9 angeordnet.
The following examples are intended to describe the subject matter of the invention in more detail, without wishing to restrict it to the specific embodiments presented here.
  • 1 shows schematically a first membrane arrangement of an electrochemical cell according to the invention. On the underside of a flat anode layer 1 there is a flat protective layer 2 which has pores 3 of a first pore size. On the underside of the flat protective layer 2 there is a flat cathode layer 4. On the top side of the flat anode layer 1 there is a first electrically conductive conductor layer 8 and on the underside of the flat cathode layer 4 there is a second electrically conductive conductor layer 9.
  • 2 shows schematically a second membrane arrangement of an electrochemical cell according to the invention. On the underside of a flat A flat protective layer 2 is arranged on the flat anode layer 1, which has pores 3 of a first pore size. A flat substrate 5 is arranged on the underside of the flat protective layer 2, which has pores 6 of a second pore size. A further flat protective layer 7 is arranged on the underside of the flat substrate 5, which has pores of a first pore size 3. A flat cathode layer 4 is arranged on the underside of the further flat protective layer 7. The membrane arrangement shown here does not (yet) have an electrically conductive conductor (e.g. no conductor layers).
  • 3 shows schematically a third membrane arrangement of an electrochemical cell according to the invention. On the underside of a flat anode layer 1 there is a flat protective layer 2 which has pores 3 of a first pore size. On the underside of the flat protective layer 2 there is a flat substrate 5 which has pores 6 of a second pore size. On the underside of the flat substrate 5 there is a further flat protective layer 7 which has pores 3 of a first pore size. On the underside of the further flat protective layer 7 there is a flat cathode layer 4. On the top side of the flat anode layer 1 there is a first electrically conductive conductor layer 8 and on the underside of the flat cathode layer 4 there is a second electrically conductive conductor layer 9.

Beispiel 1 - Erstes Verfahren zur Herstellung einer Membran-AnordnungExample 1 - First method for producing a membrane assembly

Auf eine Unterseite einer elektrisch leitfähigen Ableiterschicht wird zunächst eine Anodenschicht aufgebracht. Das Aufbringen kann über ein Verfahren erfolgen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Atmosphärisches Plasmaspritzens (APS), Schlicker-basiertes Beschichten (z.B. Tauchbad, Schlitzdüse und/oder Lamination) mit anschließender Entbinderung, elektrophoretischer Beschichtung, Gas-basierte Beschichtung (z.B. CVD, optional mit anschließender chemischer Umwandlung von Präkursoren in die Zielmaterialien). Die Anodenschicht wird bevorzugt in einer Dicke von mindestens 5 µm aufgebracht.An anode layer is first applied to the underside of an electrically conductive conductor layer. The application can be carried out using a process selected from the group consisting of atmospheric plasma spraying (APS), slip-based coating (e.g. immersion bath, slot nozzle and/or lamination) with subsequent debinding, electrophoretic coating, gas-based coating (e.g. CVD, optionally with subsequent chemical conversion of precursors into the target materials). The anode layer is preferably applied in a thickness of at least 5 µm.

Um eine keramische Schutzschicht auf die Unterseite der Anodenschicht aufzubringen, wird ein Pulver, das aus einem elektrisch nicht leitfähigen keramischen Material besteht, auf die Unterseite der Anodenschicht aufgebracht. Die Aufbringung des Pulvers erfolgt bevorzugt über atmosphärisches Plasmaspritzen bis eine Porengröße im Bereich von 50 - 5000 nm und eine Schichtdicke im Bereich von 15 bis 250 µm erreicht ist. Die Porengröße der keramischen Schutzschicht kann über die Auswahl des Pulvers und den Verfahrenstechnischen Einstellungen der Beschichtung eingestellt werden.In order to apply a ceramic protective layer to the underside of the anode layer, a powder consisting of an electrically non-conductive ceramic material is applied to the underside of the anode layer. The powder is preferably applied using atmospheric plasma spraying until a pore size in the range of 50 - 5000 nm and a layer thickness in the range of 15 to 250 µm is achieved. The pore size of the ceramic protective layer can be adjusted by selecting the powder and the process settings of the coating.

Anschließend wird auf eine Oberseite einer weiteren elektrisch leitfähigen Ableiterschicht eine Kathodenschicht aufgebracht. Das Aufbringen kann über ein Verfahren erfolgen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Atmosphärisches Plasmaspritzens (APS), Schlicker-basiertes Beschichten (z.B. Tauchbad, Schlitzdüse und/oder Lamination) mit anschließender Entbinderung, elektrophoretischer Beschichtung, Gas-basierte Beschichtung (z.B. CVD, optional mit anschließender chemischer Umwandlung von Präkursoren in die Zielmaterialien). Die Kathodenschicht wird bevorzugt in einer Dicke von mindestens 5 µm aufgebracht.A cathode layer is then applied to the top of another electrically conductive conductor layer. The application can be carried out using a method selected from the group consisting of atmospheric plasma spraying (APS), slip-based coating (e.g. immersion bath, slot nozzle and/or lamination) with subsequent debinding, electrophoretic coating, gas-based coating (e.g. CVD, optionally with subsequent chemical conversion of precursors into the target materials). The cathode layer is preferably applied in a thickness of at least 5 µm.

Die auf der Unterseite der Anodenschicht aufgebrachte keramische Schutzschicht wird dann auf die Oberseite der Kathodenschicht aufgebracht, um die Membran-Anordnung zu vervollständigen. Diese Assemblierung kann über ein Verfahren erfolgen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pressen, Fügen und Kombinationen hiervon, wobei das Pressen bevorzugt ein Pressen mit einem Druck im Bereich von 50 bis 3500 MPa, bevorzugt im Bereich von 100 bis 3000 MPa, besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 2500 MPa, in einer Richtung senkrecht auf die Membran-Anordnung, umfasst.The ceramic protective layer applied to the underside of the anode layer is then applied to the top of the cathode layer to complete the membrane assembly. This assembly can be carried out by a method selected from the group consisting of pressing, joining and combinations thereof, wherein the pressing preferably comprises pressing with a pressure in the range of 50 to 3500 MPa, preferably in the range of 100 to 3000 MPa, particularly preferably in the range of 150 to 2500 MPa, in a direction perpendicular to the membrane assembly.

Bevorzugt wird die hergestellte Membran-Anordnung anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 400 °C und 700 °C für 30 bis 300 Minuten ausgeglüht. Die Anordnung der Schichten in einer solchen Membran-Anordnung ist in 1 dargestellt.Preferably, the membrane arrangement produced is then annealed at a temperature in the range of 400 °C and 700 °C for 30 to 300 minutes. The arrangement of the layers in such a membrane arrangement is in 1 shown.

Die keramische Schutzschicht gewährleistet aufgrund ihrer Porengröße einerseits eine hohe ionische Leitfähigkeit (z.B. für Hydroxid-Ionen) und andererseits eine geringe Permeabilität für Wasserstoff.Due to its pore size, the ceramic protective layer ensures, on the one hand, a high ionic conductivity (e.g. for hydroxide ions) and, on the other hand, a low permeability for hydrogen.

Beispiel 2 - Zweites Verfahren zur Herstellung einer Membran-AnordnungExample 2 - Second method for producing a membrane assembly

Auf eine Oberseite einer elektrisch leitfähigen Ableiterschicht wird zunächst eine Kathodenschicht aufgebracht. Das Aufbringen kann über ein Verfahren erfolgen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Atmosphärisches Plasmaspritzens (APS), Schlicker-basiertes Beschichten (z.B. Tauchbad, Schlitzdüse und/oder Lamination) mit anschließender Entbinderung, elektrophoretischer Beschichtung, Gas-basierte Beschichtung (z.B. CVD, optional mit anschließender chemischer Umwandlung von Präkursoren in die Zielmaterialien). Die Kathodenschicht wird bevorzugt in einer Dicke von mindestens 5 µm aufgebracht.A cathode layer is first applied to the top of an electrically conductive conductor layer. The application can be carried out using a process selected from the group consisting of atmospheric plasma spraying (APS), slip-based coating (e.g. immersion bath, slot nozzle and/or lamination) with subsequent debinding, electrophoretic coating, gas-based coating (e.g. CVD, optionally with subsequent chemical conversion of precursors into the target material The cathode layer is preferably applied in a thickness of at least 5 µm.

Um eine keramische Schutzschicht auf der Oberseite der Kathodenschicht aufzubringen, wird ein Pulver, das aus einem elektrisch nicht leitfähigen keramischen Material besteht, auf die Unterseite der Anodenschicht aufgebracht. Die Aufbringung des Pulvers erfolgt bevorzugt über atmosphärisches Plasmaspritzen bis eine Porengröße im Bereich von 50 - 5000 nm und eine Schichtdicke im Bereich von 15 bis 250 µm erreicht ist. Die Porengröße der keramischen Schutzschicht kann über die Auswahl des Pulvers und den Verfahrenstechnischen Einstellungen der Beschichtung eingestellt werden.In order to apply a ceramic protective layer to the top of the cathode layer, a powder consisting of an electrically non-conductive ceramic material is applied to the bottom of the anode layer. The powder is preferably applied using atmospheric plasma spraying until a pore size in the range of 50 - 5000 nm and a layer thickness in the range of 15 to 250 µm is achieved. The pore size of the ceramic protective layer can be adjusted by selecting the powder and the process settings of the coating.

Anschließend wird auf eine Unterseite einer weiteren elektrisch leitfähigen Ableiterschicht eine Anodenschicht aufgebracht. Das Aufbringen kann über ein Verfahren erfolgen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Atmosphärisches Plasmaspritzens (APS), Schlicker-basiertes Beschichten (z.B. Tauchbad, Schlitzdüse und/oder Lamination) mit anschließender Entbinderung, elektrophoretischer Beschichtung, Gas-basierte Beschichtung (z.B. CVD, optional mit anschließender chemischer Umwandlung von Präkursoren in die Zielmaterialien). Die Anodenschicht wird bevorzugt in einer Dicke von mindestens 5 µm aufgebracht.An anode layer is then applied to the underside of another electrically conductive conductor layer. The application can be carried out using a process selected from the group consisting of atmospheric plasma spraying (APS), slip-based coating (e.g. immersion bath, slot nozzle and/or lamination) with subsequent debinding, electrophoretic coating, gas-based coating (e.g. CVD, optionally with subsequent chemical conversion of precursors into the target materials). The anode layer is preferably applied in a thickness of at least 5 µm.

Die auf der Oberseite der Kathodenschicht aufgebrachte keramische Schutzschicht wird dann auf die Unterseite der Anodenschicht aufgebracht, um die Membran-Anordnung zu vervollständigen. Diese Assemblierung kann über ein Verfahren erfolgen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pressen, Fügen und Kombinationen hiervon, wobei das Pressen bevorzugt ein Pressen mit einem Druck im Bereich von 50 bis 3500 MPa, bevorzugt im Bereich von 100 bis 3000 MPa, besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 2500 MPa, in einer Richtung senkrecht auf die Membran-Anordnung, umfasst. The ceramic protective layer applied to the top of the cathode layer is then applied to the bottom of the anode layer to complete the membrane assembly. This assembly can be carried out by a method selected from the group consisting of pressing, joining and combinations thereof, wherein the pressing preferably comprises pressing with a pressure in the range of 50 to 3500 MPa, preferably in the range of 100 to 3000 MPa, particularly preferably in the range of 150 to 2500 MPa, in a direction perpendicular to the membrane assembly.

Bevorzugt wird die hergestellte Membran-Anordnung anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 400 °C und 700 °C für 30 bis 300 Minuten ausgeglüht. Die Anordnung der Schichten in einer solchen Membran-Anordnung ist in 1 dargestellt.Preferably, the membrane arrangement produced is then annealed at a temperature in the range of 400 °C and 700 °C for 30 to 300 minutes. The arrangement of the layers in such a membrane arrangement is in 1 shown.

Die keramische Schutzschicht gewährleistet aufgrund ihrer Porengröße einerseits eine hohe ionische Leitfähigkeit (z.B. für Hydroxid-Ionen) und andererseits eine geringe Permeabilität für Wasserstoff.Due to its pore size, the ceramic protective layer ensures, on the one hand, a high ionic conductivity (e.g. for hydroxide ions) and, on the other hand, a low permeability for hydrogen.

Beispiel 3 - Drittes Verfahren zur Herstellung einer Membran-AnordnungExample 3 - Third method for producing a membrane assembly

Ein poröses flächiges Substrat (Metallsubstrat) wird zunächst in Ethanol oder anderen Alkoholen entfettet und anschließend mittels Sandstrahl behandelt, um die Haftfestigkeit der zu beschichtenden Fläche zu erhöhen. Die Korngröße des Sandes sollte größer sein als die Substratporengröße.A porous flat substrate (metal substrate) is first degreased in ethanol or other alcohols and then treated with sandblasting to increase the adhesion of the surface to be coated. The grain size of the sand should be larger than the substrate pore size.

Anschließend wird auf die Oberseite und auf die Unterseite des flächigen Substrats eine keramische Schutzschicht aufgebracht. Hierzu wird ein Pulver, das aus einem elektrisch nicht leitfähigen keramischen Material besteht, auf beide Seiten des porösen Metallsubstrats aufgebracht. Die Aufbringung des Pulvers erfolgt bevorzugt über atmosphärisches Plasmaspritzen bis eine Porengröße im Bereich von 50 - 5000 nm und eine Schichtdicke im Bereich von 15 bis 250 µm erreicht ist. Die Porengröße der keramischen Schutzschicht kann über die Auswahl des Pulvers und den Verfahrenstechnischen Einstellungen der Beschichtung eingestellt werden.A ceramic protective layer is then applied to the top and bottom of the flat substrate. To do this, a powder consisting of an electrically non-conductive ceramic material is applied to both sides of the porous metal substrate. The powder is preferably applied using atmospheric plasma spraying until a pore size in the range of 50 - 5000 nm and a layer thickness in the range of 15 to 250 µm is achieved. The pore size of the ceramic protective layer can be adjusted by selecting the powder and the process settings of the coating.

Die auf dem porösen Metallsubstrat aufgebrachte keramische Schutzschicht isoliert das poröse Metallsubstrat elektrisch und gewährleistet aufgrund seiner Porengröße einerseits eine hohe ionische Leitfähigkeit (z.B. für Hydroxid-Ionen) und andererseits eine geringe Permeabilität für Wasserstoff.The ceramic protective layer applied to the porous metal substrate electrically insulates the porous metal substrate and, due to its pore size, ensures high ionic conductivity (e.g. for hydroxide ions) on the one hand and low permeability for hydrogen on the other.

Anschließend wird eine Anodenschicht auf der Oberseite des flächigen Substrats (genauer: auf der dort aufgebrachten keramischen Schutzschicht) aufgebracht und eine Kathodenschicht auf der Unterseite des flächigen Substrats (genauer: auf der dort aufgebrachten keramischen Schutzschicht) aufgebracht. Das Aufbringen kann über ein Verfahren erfolgen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Atmosphärisches Plasmaspritzens (APS), Schlicker-basiertes Beschichten (z.B. Tauchbad, Schlitzdüse und/oder Lamination) mit anschließender Entbinderung, elektrophoretischer Beschichtung, Gas-basierte Beschichtung (z.B. CVD, optional mit anschließender chemischer Umwandlung von Präkursoren in die Zielmaterialien). Die Anodenschicht und Kathodenschicht werden bevorzugt in einer Dicke von jeweils mindestens 5 µm aufgebracht.An anode layer is then applied to the top of the flat substrate (more precisely: to the ceramic protective layer applied there) and a cathode layer is applied to the bottom of the flat substrate (more precisely: to the ceramic protective layer applied there). The application can be carried out using a process selected from the group consisting of atmospheric plasma spraying (APS), slip-based coating (e.g. immersion bath, slot nozzle and/or lamination) with subsequent debinding, electrophoretic coating, gas-based coating (e.g. CVD, optionally with subsequent chemical conversion of precursors into the target materials). The anode layer and cathode layer are preferably applied in a thickness of at least 5 µm each.

Bevorzugt wird die hergestellte Membran-Anordnung anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 400 °C und 700 °C für 30 bis 300 Minuten ausgeglüht.Preferably, the manufactured membrane arrangement is then annealed at a temperature in the range of 400 °C and 700 °C for 30 to 300 minutes.

Es entsteht eine Membran-Anordnung, die noch keine elektrisch leitfähigen Ableiter aufweist. Die Anordnung der Schichten in einer solchen Membran-Anordnung ist in 2 dargestellt.This creates a membrane arrangement that does not yet have any electrically conductive conductors. The arrangement of the layers in such a membrane arrangement is 2 shown.

Alternativ zu dieser Vorgehensweise wird die Anodenschicht zuvor auf eine Unterseite einer elektrisch leitfähige Ableiterschicht aufgebracht und die Kathodenschicht auf eine Oberseite einer weiteren elektrisch leitfähigen Ableiterschicht aufgebracht. Das Aufbringen kann über ein Verfahren erfolgen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Atmosphärisches Plasmaspritzens (APS), Schlicker-basiertes Beschichten (z.B. Tauchbad, Schlitzdüse und/oder Lamination) mit anschließender Entbinderung, elektrophoretischer Beschichtung, Gas-basierte Beschichtung (z.B. CVD, optional mit anschließender chemischer Umwandlung von Präkursoren in die Zielmaterialien). Die Anodenschicht und Kathodenschicht werden bevorzugt in einer Dicke von jeweils mindestens 5 µm aufgebracht.As an alternative to this procedure, the anode layer is first applied to the underside of an electrically conductive conductor layer and the cathode layer is applied to the top side of another electrically conductive conductor layer. The application can be carried out using a method selected from the group consisting of atmospheric plasma spraying (APS), slip-based coating (e.g. immersion bath, slot nozzle and/or lamination) with subsequent debinding, electrophoretic coating, gas-based coating (e.g. CVD, optionally with subsequent chemical conversion of precursors into the target materials). The anode layer and cathode layer are preferably applied in a thickness of at least 5 µm each.

Im Anschluss wird die (mit der elektrisch leitfähigen Ableiterschicht versehene) Anodenschicht auf der Oberseite des flächigen Substrats (genauer: auf der dort aufgebrachten keramischen Schutzschicht) aufgebracht und die (mit der weiteren elektrisch leitfähigen Ableiterschicht versehene) Kathodenschicht auf der Unterseite des flächigen Substrats (genauer: auf der dort aufgebrachten keramischen Schutzschicht) aufgebracht. Diese Assemblierung kann über ein Verfahren erfolgen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pressen, Fügen und Kombinationen hiervon, wobei das Pressen bevorzugt ein Pressen mit einem Druck im Bereich von 50 bis 3500 MPa, bevorzugt im Bereich von 100 bis 3000 MPa, besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 2500 MPa, in einer Richtung senkrecht auf die Membran-Anordnung, umfasst.The anode layer (provided with the electrically conductive conductor layer) is then applied to the top side of the flat substrate (more precisely: to the ceramic protective layer applied there) and the cathode layer (provided with the further electrically conductive conductor layer) is applied to the bottom side of the flat substrate (more precisely: to the ceramic protective layer applied there). This assembly can be carried out using a method selected from the group consisting of pressing, joining and combinations thereof, wherein the pressing preferably comprises pressing with a pressure in the range of 50 to 3500 MPa, preferably in the range of 100 to 3000 MPa, particularly preferably in the range of 150 to 2500 MPa, in a direction perpendicular to the membrane arrangement.

Bevorzugt wird die hergestellte Membran-Anordnung anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 400 °C und 700 °C für 30 bis 300 Minuten ausgeglüht.Preferably, the manufactured membrane arrangement is then annealed at a temperature in the range of 400 °C and 700 °C for 30 to 300 minutes.

In dieser Alternative entsteht eine Membran-Anordnung, die bereits zwei elektrisch leitfähige Ableiter aufweist. Die Anordnung der Schichten in einer solchen Membran-Anordnung ist in 3 dargestellt.In this alternative, a membrane arrangement is created that already has two electrically conductive conductors. The arrangement of the layers in such a membrane arrangement is in 3 shown.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
flächige Anodenschicht;flat anode layer;
22
flächige Schutzschicht;flat protective layer;
33
Poren erster Porengröße;Pores of first pore size;
44
flächige Kathodenschicht;flat cathode layer;
55
flächiges Substrat;flat substrate;
66
Poren zweiter Porengröße;Pores of second pore size;
77
weitere flächige Schutzschicht;additional surface protective layer;
88
erste elektrisch leitfähige Ableiterschicht;first electrically conductive conductor layer;
99
zweite elektrisch leitfähige Ableiterschicht.second electrically conductive conductor layer.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Kim, S. et al. (Journal of Power Sources, 524:231059 [0005]Kim, S. et al. (Journal of Power Sources, 524:231059 [0005]

Claims (16)

Elektrochemische Zelle, enthaltend: a) einen Behälter, der einen flüssigen Elektrolyten enthält; b) eine Membran-Anordnung, enthaltend eine flächige Anodenschicht, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist; eine flächige Schutzschicht, die eine Oberseite, eine Unterseite und sich von der Oberseite zur Unterseite erstreckende Poren einer ersten Porengröße aufweist, wobei die flächige Schutzschicht ein elektrisch isolierendes keramisches Material enthält oder daraus besteht; und eine flächige Kathodenschicht, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist; wobei die Membran-Anordnung den flüssigen Elektrolyten kontaktiert, wobei die Membran-Anordnung dergestalt in dem Behälter angeordnet ist, dass er den flüssigen Elektrolyten in ein erstes Kompartiment und in ein zweites Kompartiment trennt, wobei die Membran-Anordnung das erste Kompartiment von dem zweiten Kompartiment auf elektrisch isolierende und Ionen-leitende Weise trennt; wobei die flächige Schutzschicht auf der Unterseite der flächigen Anodenschicht angeordnet ist und die Oberseite der flächigen Schutzschicht die Unterseite der flächigen Anodenschicht kontaktiert; wobei auf der Unterseite der flächigen Schutzschicht i) die Kathodenschicht angeordnet ist und die Oberseite der Kathodenschicht die Unterseite der flächigen Schutzschicht kontaktiert; oder ii) ein flächiges Substrat angeordnet ist, das eine Oberseite, eine Unterseite und sich von der Oberseite zur Unterseite erstreckende Poren einer zweiten Porengröße aufweist, die größer ist als die erste Porengröße, wobei die Oberseite des flächigen Substrats die Unterseite der flächigen Schutzschicht kontaktiert und auf der Unterseite des flächigen Substrats die Kathodenschicht angeordnet ist.Electrochemical cell comprising: a) a container containing a liquid electrolyte; b) a membrane arrangement comprising a planar anode layer having a top and a bottom; a planar protective layer having a top, a bottom and pores of a first pore size extending from the top to the bottom, the planar protective layer containing or consisting of an electrically insulating ceramic material; and a planar cathode layer having a top and a bottom; wherein the membrane arrangement contacts the liquid electrolyte, the membrane arrangement being arranged in the container such that it separates the liquid electrolyte into a first compartment and a second compartment, wherein the membrane arrangement separates the first compartment from the second compartment in an electrically insulating and ion-conducting manner; wherein the planar protective layer is arranged on the underside of the planar anode layer and the top side of the planar protective layer contacts the underside of the planar anode layer; wherein on the underside of the planar protective layer i) the cathode layer is arranged and the top side of the cathode layer contacts the underside of the planar protective layer; or ii) a planar substrate is arranged which has a top side, a bottom side and pores extending from the top side to the bottom side of a second pore size which is larger than the first pore size, wherein the top side of the planar substrate contacts the underside of the planar protective layer and the cathode layer is arranged on the underside of the planar substrate. Elektrochemische Zelle gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Schutzschicht i) auf der Unterseite der flächigen Anodenschicht, auf der Oberseite der flächigen Kathodenschicht und/oder auf der Oberseite des flächigen Substrats über ein Verfahren aufgebracht wurde, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Atmosphärisches Plasmaspritzen, Schlicker-basiertes Beschichten mit anschließender Entbinderung, elektrophoretisches Beschichten, Gas-basiertes Beschichten, wobei das Schlicker-basierte Beschichten bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tauchbad-Beschichten, Schlitzdüsen-Beschichten, Lamination und Kombinationen hiervon; und/oder ii) eine Dicke im Bereich von 10 bis 1000 µm aufweist, wobei sich die Dicke insbesondere auf eine Ausdehnung der Schutzschicht in eine Richtung senkrecht auf die Oberseite und/oder Unterseite der flächigen Schutzschicht bezieht.Electrochemical cell according to the preceding claim, characterized in that the flat protective layer i) was applied to the underside of the flat anode layer, to the top side of the flat cathode layer and/or to the top side of the flat substrate using a method selected from the group consisting of atmospheric plasma spraying, slip-based coating with subsequent debinding, electrophoretic coating, gas-based coating, wherein the slip-based coating is preferably selected from the group consisting of immersion bath coating, slot die coating, lamination and combinations thereof; and/or ii) has a thickness in the range of 10 to 1000 µm, wherein the thickness refers in particular to an extension of the protective layer in a direction perpendicular to the top side and/or bottom side of the flat protective layer. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterseite des flächigen Substrats eine weitere flächige Schutzschicht angeordnet ist, die eine Oberseite, eine Unterseite und sich von der Oberseite zur Unterseite erstreckende Poren einer ersten Porengröße aufweist, wobei die weitere flächige Schutzschicht ein elektrisch isolierendes keramisches Material enthält oder daraus besteht, wobei bevorzugt die Unterseite des flächigen Substrats die Oberseite der Schutzschicht kontaktiert und die Unterseite der Schutzschicht die Oberseite der flächigen Kathodenschicht kontaktiert.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that a further planar protective layer is arranged on the underside of the planar substrate, which has a top side, a bottom side and pores of a first pore size extending from the top side to the bottom side, wherein the further planar protective layer contains or consists of an electrically insulating ceramic material, wherein preferably the underside of the planar substrate contacts the top side of the protective layer and the underside of the protective layer contacts the top side of the planar cathode layer. Elektrochemische Zelle gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere flächige Schutzschicht i) auf der Unterseite des flächigen Substrats über ein Verfahren aufgebracht wurde, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Atmosphärisches Plasmaspritzen, Schlicker-basiertes Beschichten mit anschließender Entbinderung, elektrophoretisches Beschichten, Gas-basiertes Beschichten, wobei das Schlicker-basierte Beschichten bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tauchbad-Beschichten, Schlitzdüsen-Beschichten, Lamination und Kombinationen hiervon; und/oder ii) eine Dicke im Bereich von 10 bis 1000 µm aufweist, wobei sich die Dicke insbesondere auf eine Ausdehnung der flächigen Schutzschicht in eine Richtung senkrecht auf die Oberseite und/oder Unterseite der flächigen Schutzschicht bezieht.Electrochemical cell according to the preceding claim, characterized in that the further planar protective layer i) was applied to the underside of the planar substrate using a method selected from the group consisting of atmospheric plasma spraying, slip-based coating with subsequent debinding, electrophoretic coating, gas-based coating, wherein the slip-based coating is preferably selected from the group consisting of immersion bath coating, slot die coating, lamination and combinations thereof; and/or ii) has a thickness in the range from 10 to 1000 µm, wherein the thickness refers in particular to an extension of the planar protective layer in a direction perpendicular to the top and/or bottom of the planar protective layer. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Anordnung über ein Verfahren assembliert wurde, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pressen, Fügen und Kombinationen hiervon, wobei das Pressen bevorzugt ein Pressen mit einem Druck im Bereich von 50 bis 3500 MPa, bevorzugt im Bereich von 100 bis 3000 MPa, besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 2500 MPa, in einer Richtung senkrecht auf die Membran-Anordnung, umfasst.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane arrangement was assembled via a method selected from the group consisting of pressing, joining and combinations thereof, wherein the pressing preferably comprises pressing with a pressure in the range of 50 to 3500 MPa, preferably in the range of 100 to 3000 MPa, particularly preferably in the range of 150 to 2500 MPa, in a direction perpendicular to the membrane arrangement. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenschicht einen Katalysator enthält oder daraus besteht, der eine Reduktion von Wasser zu Wasserstoff katalysiert, wobei der Katalysator bevorzugt ein Material enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metall, Metalllegierung und Kombinationen hiervon, wobei das Material optional ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Cobalt, Molybdän, Mangan, Nickel-Aluminium, Nickel-Aluminium-Molybdän; Nickel-Molybdän, Raney-Nickel, und Kombinationen hiervon.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode layer contains or consists of a catalyst which catalyzes a reduction of water to hydrogen, wherein the catalyst preferably contains a material selected from the group consisting of metal, metal alloy and combinations thereof, wherein the material is optionally selected from the group consisting of nickel, cobalt, molybdenum, manganese, nickel-aluminum, nickel-aluminum-molybdenum; Nickel-molybdenum, Raney nickel, and combinations thereof. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenschicht einen Katalysator enthält oder daraus besteht, der eine Oxidation von Wasser zu Sauerstoff katalysiert, wobei der Katalysator bevorzugt ein Material enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metall, Metalllegierung, Metalloxid, Mischmetalloxid, Spinell, Perowskit, Schicht-Doppelhydroxid und Kombinationen hiervon, wobei das Material optional ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Cobalt, Nickel-Aluminium, Nickel-Aluminium-Molybdän, Nickel-Molybdän, Raney-Nickel, Nickeloxid, Iridiumoxid und Kombinationen hiervon.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the anode layer contains or consists of a catalyst which catalyzes an oxidation of water to oxygen, wherein the catalyst preferably contains a material selected from the group consisting of metal, metal alloy, metal oxide, mixed metal oxide, spinel, perovskite, layered double hydroxide and combinations thereof, wherein the material is optionally selected from the group consisting of nickel, cobalt, nickel-aluminum, nickel-aluminum-molybdenum, nickel-molybdenum, Raney nickel, nickel oxide, iridium oxide and combinations thereof. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Substrat, i) ein Material enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metall, Metalllegierung und Kombinationen hiervon, wobei das Material bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Nickelstahl, Vollnickel und Kombinationen und Legierungen hiervon; und/oder ii) eine Struktur enthält oder daraus besteht, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Vlies, fester Schaum, Streckmetall, Netz, Gewebe und Kombinationen hiervon; und/oder iii) eine Dicke im Bereich von 40 bis 1500 µm, bevorzugt im Bereich von 50 bis 1250 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 60 µm bis 1000 µm, aufweist, wobei sich die Dicke insbesondere auf eine Ausdehnung des flächigen Substrats in eine Richtung senkrecht auf die Oberseite und/oder Unterseite des flächigen Substrats bezieht.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the flat substrate i) contains or consists of a material that is selected from the group consisting of metal, metal alloy and combinations thereof, wherein the material is preferably selected from the group consisting of stainless steel, nickel steel, solid nickel and combinations and alloys thereof; and/or ii) contains or consists of a structure that is selected from the group consisting of fleece, solid foam, expanded metal, mesh, fabric and combinations thereof; and/or iii) has a thickness in the range of 40 to 1500 µm, preferably in the range of 50 to 1250 µm, particularly preferably in the range of 60 µm to 1000 µm, wherein the thickness refers in particular to an extension of the flat substrate in a direction perpendicular to the top and/or bottom of the flat substrate. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren des flächigen Substrats i) eine zweite Porengröße im Bereich von 5 µm bis 1250 µm, bevorzugt im Bereich von 10 µm bis 1000 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 15 µm bis 750 µm, aufweisen, wobei sich die Porengröße auf eine über Quecksilber Porosimetrie und/oder Bubble-Point Messung bestimmbare Porengröße bezieht; und/oder ii) eine zweite Porengröße aufweisen, die von der Oberseite des flächigen Substrats in Richtung der Unterseite des flächigen Substrats abnimmt oder die von der Unterseite des flächigen Substrats in Richtung der Oberseite des flächigen Substrats abnimmt.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the pores of the flat substrate i) have a second pore size in the range from 5 µm to 1250 µm, preferably in the range from 10 µm to 1000 µm, particularly preferably in the range from 15 µm to 750 µm, wherein the pore size refers to a pore size determinable via mercury porosimetry and/or bubble point measurement; and/or ii) have a second pore size which decreases from the top side of the flat substrate towards the bottom side of the flat substrate or which decreases from the bottom side of the flat substrate towards the top side of the flat substrate. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende keramische Material der flächigen Schutzschicht, optional auch das elektrisch isolierende keramische Material einer weiteren flächigen Schutzschicht der Membran-Anordnung, i) ein Material enthält oder daraus besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nitridkeramik, Carbidkeramik, Oxidkeramik, Silikatkeramik, Cermet und Kombinationen hiervon; und/oder ii) Partikel enthält oder daraus besteht, wobei die Partikel bevorzugt eine Größe im Bereich von 0,5 µm bis 95 µm, bevorzugt im Bereich von 5 µm bis 70 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 9 µm bis 45 µm, aufweisen, wobei sich die Partikelgröße auf eine Messung der Partikelgrößenverteilung bezieht.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically insulating ceramic material of the flat protective layer, optionally also the electrically insulating ceramic material of a further flat protective layer of the membrane arrangement, i) contains or consists of a material selected from the group consisting of nitride ceramic, carbide ceramic, oxide ceramic, silicate ceramic, cermet and combinations thereof; and/or ii) contains or consists of particles, wherein the particles preferably have a size in the range from 0.5 µm to 95 µm, preferably in the range from 5 µm to 70 µm, particularly preferably in the range from 9 µm to 45 µm, wherein the particle size refers to a measurement of the particle size distribution. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der flächigen Schutzschicht, optional auch die Poren einer weiteren flächigen Schutzschicht der Membran-Anordnung, eine erste Porengröße im Bereich von 50 nm bis 9 µm aufweisen, wobei sich die Porengröße auf eine über Quecksilber Porosimetrie und/oder Bubble-Point Messung bestimmbare Porengröße bezieht.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the pores of the flat protective layer, optionally also the pores of a further flat protective layer of the membrane arrangement, have a first pore size in the range from 50 nm to 9 µm, wherein the pore size refers to a pore size determinable via mercury porosimetry and/or bubble point measurement. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Schutzschicht, optional auch eine weitere flächige Schutzschicht der Membran-Anordnung, i) einen elektrischen Widerstand im kΩ bis MΩ Bereich aufweist; und/oder ii) eine lonenwiderstand im Bereich von <0,3 Ω bis 0,8 cm2 aufweist; und/oder iii) eine Gas Permeabilität im Bereich von 2 bis 6 L/min·cm2 bei 5 bar aufweist; und/oder iv) für Ionen leitfähig ist, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetallionen, OH--Ionen, H+-Ionen und Kombinationen hiervon.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the flat protective layer, optionally also a further flat protective layer of the membrane arrangement, i) has an electrical resistance in the kΩ to MΩ range; and/or ii) has an ion resistance in the range of <0.3 Ω to 0.8 cm 2 ; and/or iii) has a gas permeability in the range of 2 to 6 L/min·cm 2 at 5 bar; and/or iv) is conductive for ions selected from the group consisting of alkali metal ions, OH - ions, H + ions and combinations thereof. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Anordnung i) kein organisches Polymer enthält, optional kein organisches Material enthält; und/oder ii) gegenüber einer wässrigen Lösung von 35 Gew.-% KOH, in Bezug auf das Gesamtgewicht der wässrigen Lösung, stabil ist, bevorzugt nicht beschädigt wird, insbesondere sich nicht auflöst; und/oder iii) gegenüber einem Druck von 30 bar auf eine Oberseite oder Unterseite der Membran stabil ist, bevorzugt durch diesen Druck nicht beschädigt wird, insbesondere keine Risse bekommt; und/oder iv) gegenüber einer Temperatur von 200 °C stabil ist, bevorzugt nicht beschädigt wird, insbesondere nicht schmilzt und/oder verbrennt.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane arrangement i) contains no organic polymer, optionally contains no organic material; and/or ii) is stable towards an aqueous solution of 35 wt. % KOH, in relation to the total weight of the aqueous solution, preferably is not damaged, in particular does not dissolve; and/or iii) is stable towards a pressure of 30 bar on an upper or lower side of the membrane, preferably is not damaged by this pressure, in particular does not crack; and/or iv) is stable towards a temperature of 200 °C, preferably is not damaged, in particular does not melt and/or burn. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle ferner i) einen Einlass zur Zuführung von flüssigem Elektrolyt in das erste Kompartiment und einen Auslass zur Abführung eines ersten Fluids aus dem ersten Kompartiment enthält; und ii) einen Einlass zur Zuführung von flüssigem Elektrolyt in das zweite Kompartiment und einen Auslass zur Abführung eines zweiten Fluids aus dem zweiten Kompartiment enthält.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the electrochemical cell further comprises i) an inlet for supplying liquid electrolyte to the first compartment and an outlet for removing a first fluid from the first compartment; and ii) an inlet for supplying liquid electrolyte to the second compartment and an outlet for removing a second fluid from the second compartment. Elektrochemische Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Elektrolysezelle, Batteriezelle, Brennstoffzelle und CO2-Reduktionszelle, wobei die elektrochemische Zelle besonders bevorzugt eine Wasserelektrolysezelle ist, ganz besonders bevorzugt eine alkalische Wasserelektrolysezelle ist.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the electrochemical cell is selected from the group consisting of electrolysis cell, battery cell, fuel cell and CO 2 reduction cell, wherein the electrochemical cell is particularly preferably a water electrolysis cell, very particularly preferably an alkaline water electrolysis cell. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, umfassend die folgenden Schritte a) Bereitstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der flüssige Elektrolyt eine wässrige Lösung enthaltend 35 bis 40 Gew.-% KOH, in Bezug auf das Gesamtgewicht der wässrigen Lösung, ist; und b) Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Kathode und Anode der elektrochemischen Zelle und Durchführen einer Elektrolyse; wobei die Elektrolyse bevorzugt bei einem Druck im Bereich von 1 bis 30 bar und/oder einer Temperatur im Bereich von 120 °C bis 200 °C durchgeführt wird.Process for producing hydrogen and oxygen from water, comprising the following steps a) providing an electrochemical cell according to one of the preceding claims, wherein the liquid electrolyte is an aqueous solution containing 35 to 40 wt.% KOH, based on the total weight of the aqueous solution; and b) applying an electrical voltage between the cathode and anode of the electrochemical cell and carrying out an electrolysis; wherein the electrolysis is preferably carried out at a pressure in the range of 1 to 30 bar and/or a temperature in the range of 120 °C to 200 °C.
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